JPH0792513A

JPH0792513A - 波長変換素子及びその使用方法

Info

Publication number: JPH0792513A
Application number: JP5236274A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Shinozaki; 啓助篠崎; Takeshi Kamijo; 健上條
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1993-09-22
Filing date: 1993-09-22
Publication date: 1995-04-07
Also published as: US5504616A; EP0644636A3; EP0644636A2

Abstract

(57)【要約】【目的】入射光を１種類とできかつ該入射光を波長が
異なる複数の光に変換出来しかも入射光及び変換光の出
力方向を同じと出来る波長変換素子を提供する。【構成】位相整合を得るための構造５１ｘ，５１ｙを
有しかつレーザ活性物質が添加された非線形光学結晶５
１から成ることを特徴とする波長変換素子。【効果】入射光をポンピング光として用い入射光と異
なる波長のレーザ光が得られる。このレーザ光は新たな
入射光とみなせる。入射光及びまたはレーザ光の高調波
及びまたは光混合による光を変換光として得られる。位
相整合構造を有しているので入射光及び変換光を同一方
向に出力できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体レーザ（以
下、「ＬＤ」と略記することもある。）等のコヒーレン
ト光を該光の波長とは異なる波長を有した１あるいは複
数の光に変換する素子及びその使用方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】この種の素子の一例が、例えば文献Ｉ
（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．（アプライドフィジ
ックスレターズ），ｖｏｌ．５８，（１９９１），ｐ
ｐ．１２２７−１２２９）に開示されている。この素子
は、それに備わる光導波路に波長０．８６μｍ（λ₁）
と波長１．３μｍ（λ₂）の２種類の光を導入すると、
これら光を、第２高調波発生（以下、「ＳＨＧ」と略記
することもある。）により波長０．４３μｍ及び０．６
５μｍの光（それぞれλ₁、λ₂のＳＨＧ）に変換し、
並びに和周波発生（以下、「ＳＦＧ」と略記することも
ある。）により波長０．５２μｍの光に変換するという
ように、波長の異なる３種類の光に変換するというもの
であった。この文献Ｉの素子についてさらに詳細に説明
する。図５はその説明に供する図であり、文献Ｉより引
用した図である。

【０００３】文献Ｉの素子１０は、ＭｇＯドープのＬｉ
ＮｂＯ₃基板１１（以後、「ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃基板
１１」と略記することもある。）に光導波路１３を具え
たものとされている。ＭｇＯがドーピングされているの
は、ホトリフラクティブ効果（光損傷）を回避し入射光
による光導波路の損傷を防ぐためであり、波長変換素子
の機能には直接関係しない。光導波路１３はピロリン酸
（Ｈ₄Ｐ₂Ｏ₇）を用いたプロトン交換法で形成され
る。また、光導波路１３に入射される波長０．８６μ
ｍ、１．３μｍの各光はそれぞれ個別の半導体レーザ１
５ａ，１５ｂにより得ている。これら２つの光はダイク
ロイックミラー１７によって混合され光導波路１３に入
射される。なお、図５において、１９は半導体レーザ１
５ａ，１５ｂのうちの一方の光をダイクロイックミラー
１７に導くためのミラー、２１ａ，２１ｂは各半導体レ
ーザの光を集光するためのレンズ、２１ｃはダイクロイ
ックミラー１７により混合された光を集光し光導波路２
３ａに導くためのレンズである。図５に示した構成であ
ると、上記２種類の入射光は光導波路１３を伝播中にＳ
ＨＧ、ＳＦＧにより波長変換されるので、この素子１９
は波長０．４３μｍ（λ₃）、波長０．６５μｍ
（λ₄）および波長０．５２μｍ（λ₅）の３種類の光
を出力する。

【０００４】ここで、入射光（λ₁、λ₂）と出力光
（λ₃、λ₄、λ₅）との関係は、 λ₃＝λ₁／２・・・（１） λ₄＝λ₂／２・・・（２） λ₅ ^-1＝λ₁ ^-1＋λ₂ ^-1 ・・・（３）であり、また、位相整合条件は、λ₁、λ₂、λ₃、λ
₄，λ₅の各光の波数ベクトルをそれぞれｋ₁、ｋ₂、
ｋ₃、ｋ₄、ｋ₅とすれば、ｋ₃＝２ｋ₁ ・・・（４）ｋ₄＝２ｋ₂ ・・・（５）ｋ₅＝ｋ₁＋ｋ₂ ・・・（６）である。

【０００５】上記波長変換を実現するには上記（１）か
ら（６）までの関係を全て満たす必要がある。勿論、
（４）から（６）までの関係式はベクトル関係式である
ので、全てのベクトルが同一方向を向いているとは限ら
ない。すなわち、ｋ₁、ｋ₂の光が導波路モードで
ｋ₃、ｋ₄，ｋ₅の光が非導波路モードであっても許さ
れる（チェレンコフモードの位相整合）。文献Ｉにおい
てはこのような方法で波長変換を実現していた。

【０００６】ただし、文献Ｉの方法では、発生する３種
類の光はそれぞれ別々の方向に伝播する。しかも、発生
する光は、その光束の形状が三日月型をした独特のもの
であるので（文献Ｉの１２２９頁参照）、通常の凸レン
ズでは集光できない。これらの性質は多くの応用におい
て障害となるものである。そこで、発生する光が全て同
一方向に伝播し、しかも通常の凸レンズにより集光可能
であるようにするため例えば文献II（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙ
ｓ．Ｌｅｔｔ．（アプライドフィジックスレターズ），
ｖｏｌ．６２，（１９９３），ｐｐ．１８７２−１８７
４）では、光導波路に周期的構造を付加する方法がとら
れている。以下、文献IIにおいて開示されている方法に
ついて説明する。

【０００７】波長変換素子で発生する光が全て同一方向
に伝播ししかも上記（４）から（６）までの位相整合条
件を満足させるためには、一般的には、（４）から
（６）に新たな項を付加する必要がある。（４）〜
（６）式に付加する各項（位相不整合項）を順にΔ
ｋ₁、Δｋ₂、Δｋ₃とすると、それらは Δｋ₁＝ｋ₃−２ｋ₁ ・・・（７） Δｋ₂＝ｋ₄−２ｋ₂ ・・・（８） Δｋ₃＝ｋ₅−ｋ₁−ｋ₂・・・（９）であれば良い。ただし、（７）から（９）までの各項は
それぞれベクトルの絶対値である。文献IIでは、周期的
構造を形成することで、これら位相不整合項Δｋ₁〜Δ
ｋ₃を生み出しているのである。

【０００８】このような周期的構造を構成する具体的な
方法には二種類の方法がある。クアシ−フェイズマッチ
ング（Ｑｕａｓｉ−ｐｈａｓｅｍａｔｃｈｉｎｇ）と呼
ばれる方法（以下、「ＱＰＭ」という。）と、バランス
ト−フェイズマッチング（Ｂａｌａｎｃｅｄ−ｐｈａｓ
ｅｍａｔｃｈｉｎｇ）と呼ばれる方法（以下、「ＢＰ
Ｍ」という。）である。

【０００９】先ず、ＱＰＭについて説明する。これは、
図６に示したように、セグメンテドウエーブガイド（Ｓ
ｅｇｍｅｎｔｅｄＷａｖｅｇｕｉｄｅ）３１を形成し
ている各領域３１ａ，３１ｂの自然分極方向が交互に反
転して形成されるものである。すなわち、周期的分極反
転構造を形成するのである。ここで、この周期的構造に
おける、各領域３１ａ，３１ｂの各寸法をｌ₁，ｌ₂と
したときにΛ＝ｌ₁＋ｌ₂で示される周期Λは、（１
０）式を満たすように形成する。

【００１０】Δｋ_X＝ｍ（２π／Λ）・・・（１０）ただし、（１０）式中、Ｘ＝１，２，３であり、ｍは自
然数である。

【００１１】（１０）式中のｍが奇数次数の場合には、
セグメンテドウエーブガイド３１を形成している各領域
の長さが等しくなるように、すなわちｌ₁＝ｌ₂ ・・・（１１）になるように形成し、ｍが偶数次数の場合には同各領域
の長さが等しくない所定比になるように形成する。例え
ば、ｍ＝２の場合には、ｌ₁＝３ｌ₂または３ｌ₁＝ｌ₂ ・・・（１２）となるように形成する。

【００１２】以上のように分極反転の周期構造を決定す
れば、ＱＰＭによるＳＨＧまたはＳＦＧが実現する。

【００１３】次に、ＢＰＭについて説明する。このＢＰ
Ｍの場合は、図６に示したセグメンテドウエーブガイド
３１を決めているそれぞれの領域は分極方向が異なるの
ではなく、屈折率分散特性の異なる領域とされる。各領
域の寸法をｌ₁、ｌ₂として各領域の位相不整合をΔｋ
₁’、Δｋ₂’としたとき Δｋ₁’・ｌ₁＋Δｋ₂’・ｌ₂＝Ｍ・２π ・・・（１３）を満足するようにｌ₁、ｌ₂を形成する。ここで、この
式をもう少し詳しく説明する。基本波の波長をλとする
と Δｋ₁’＝（４π／λ）・［ｎ₁（λ／２）−ｎ₁（λ）］・（１４） Δｋ₂’＝（４π／λ）・［ｎ₂（λ／２）−ｎ₂（λ）］・（１５）である。ここに、ｎ₁（λ）、ｎ₂（λ）は、波長λの
光の常光線および異常光線に対する屈折率である。ＫＴ
Ｐ（ＫＴｉＯＰＯ₄）に形成されるセグメンテドウエー
ブガイドは常光線も異常光線も導波するのでＢＰＭを実
現することが可能である。また、ｎ₁及びｎ₂の波長分
散特性が異なるのでΔｋ₁’とΔｋ₂’とを異符号とす
ることが可能で、特にＭ＝０に対応する Δｋ₁’・ｌ₁＋Δｋ₂’・ｌ₂＝０・・・（１６）すなわち Δｋ₁’・ｌ₁＝−Δｋ₂’・ｌ₂ ・・・（１７）の実現が可能である。すなわちＳＨＧに関してタイプII
（基本波光の偏光方向が直交するタイプ）の位相整合を
実現できることになる。ＢＰＭにおいては、（１６）、
（１７）式を満たすことがＱＰＭにおける（１０）式を
満たすことに相当する。

【００１４】文献IIの技術では以上の方法で２種類の波
長の異なる光をセグメンテドウエーブガイドに導入して
２種類ないし３種類の波長の異なる光に変換することに
成功している。具体例で説明すれば以下のとおりであ
る。

【００１５】：波長１０２３．０ｎｍ及び７１６．７
ｎｍの２種類の光を、ＢＰＭによるＳＨＧにより波長５
１１．５ｎｍの光（波長１０２３．０ｎｍの光のＳＨ
Ｇ）に変換し、また、ｍ＝１のＱＰＭによるＳＦＧによ
り波長４２１．５ｎｍの光（波長１０２３．０ｎｍ及び
７１６．７ｎｍの光のＳＦＧ）に変換することに成功し
ている。

【００１６】また、波長１０１７．０ｎｍ及び７１７．
９ｎｍの２種類の光を、ＢＰＭによるＳＨＧにより波長
５０８．５ｎｍの光（波長１０１７．０ｎｍの光のＳＨ
Ｇ）に変換し、また、ｍ＝１のＱＰＭによるＳＦＧによ
り波長４２０．８ｎｍの光（波長１０１７．０ｎｍ及び
７１７．９ｎｍの光のＳＦＧ）及びｍ＝２のＱＰＭによ
るＳＨＧにより波長３５８．９ｎｍの光（波長７１７．
９ｎｍの光のＳＨＧ）に変換することに成功している。

【００１７】また、例えば文献III （オープラスイー
（ＯｐｌｕｓＥ），１９９３年１月号、第１１３
頁）には、図７に示したように、ポンピング光として半
導体レーザ４１を用いこのポンピング光をコリメートレ
ンズ４３及び集光レンズ４５を介しＮｄ：ＹＡＧロッド
４７に入力し該Ｎｄ：ＹＡＧロッド４７を励起してレー
ザ光（基本波）を生成し、該生成された基本光をＫＴＰ
結晶４９に入力してその第２高調波を得る素子が開示さ
れている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、文献
Ｉ、IIに開示された方式による従来の波長変換素子で
は、以下の〜の問題点があった。

【００１９】：入力光として波長の異なる２種類の光
であって位相整合条件を満たす２種類の光が必要である
点。

【００２０】：上記２種類の入力光を１本の光導波路
に入力する必要があるという点。

【００２１】：文献IIに開示された方法によれば入力
光の波長に関する条件が厳しいので入力光用光源として
波長可変のレーザ（具体的にはＴｉ：サファイヤレー
ザ）が使用されている点。これは、一般的な半導体レー
ザを入力光用光源として使用できないことを意味するの
で、波長変換素子は実用化するうえでは問題になる。

【００２２】また、文献III に開示の技術では、：Ｎ
ｄ：ＹＡＧロッド及びＫＴＰ結晶の２種類の構成部品が
必要であるので、例えば装置が大型化する、変換効率の
点において不利であるなどの問題点がある。

【００２３】この出願はこのような点に鑑みなされたも
のであり、したがってこの出願の第一発明の第一の目的
は、上記、及びの問題点を解決出来る波長変換素
子を提供することにある。また、この出願の第一発明の
第二の目的は上記〜の問題点を解決出来る波長変換
素子を提供することにある。またこの出願の第二発明の
目的は、第一発明の波長変換素子の入力光用光源として
半導体レーザを使用する際に好適な、第一発明の波長変
換素子の使用方法を提供することにある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】この出願の各目的の達成
を図るためこの出願に係る発明者は種々の検討を重ね
た。そして、例えば文献IV（エレクトロニクスレターズ
（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．
２５，（１９８９），ｐｐ．１４９１−１４９２に開示
されている技術に着目した。文献IVに開示の技術とは、
Ｎｄ及びＭｇＯがドーピングされたＬｉＮｂＯ₃基板に
イオン交換法によって作り込んだ所定の光導波路では該
光導波路に色素レーザ光を入力すると該入力光の波長と
は異なる波長のレーザ光が得られるというものである。
より詳細には、この文献IVには、ＸカットのＮｄ：Ｍｇ
Ｏ：ＬｉＮｂＯ₃基板に安息香酸を用いたイオン交換法
によりストライプ方向がＹ方向でその幅が２〜８．５μ
ｍのストライプ状の光導波路を形成し、さらに、その光
導波路の長さが１２ｍｍとなるように基板をカットしか
つ該カット面を鏡面研磨して素子を作製した点が開示さ
れている。さらに、この素子の光導波路に波長が１．０
６４μｍの入射光を入力した場合、光導波路の幅が７μ
ｍ以上である素子の場合はシングルモード導波が実現さ
れ、光導波路の幅が８μｍである素子の場合はレーザ発
振が生じたという点、及び、この素子の光導波路に色素
レーザの発振光（波長０．８１４μｍ）を入射させると
波長１．０８４のレーザ光が得られた点が開示されてい
る。

【００２５】この文献IVに開示の技術は、本願が従来技
術の問題点として指摘している上記、及びの問題
点を解決する手段として有用であるとこの出願に係る出
願人は考えた。

【００２６】したがって、この出願の第一発明の波長変
換素子は、位相整合を得るための構造を有しかつレーザ
活性物質が添加された非線形光学結晶から成ることを特
徴とする。

【００２７】ここで、用いるレーザ活性物質及び非線形
光学結晶は、設計に応じた種々のものとできる。用い得
るレーザ活性物質として例えば希土元素例えばＮｄ（ネ
オジム）若しくはＥｒ（エルビウム）を挙げることが出
来る。用い得る非線形光学結晶として例えばＬｉＮｂＯ
₃、ＬｉＴａＯ₃及びＫＴＰを挙げることが出来る。

【００２８】また、この第一発明の実施に当たり、前述
の位相整合を得るための構造として以下の（Ｉ）〜（V
I）のような種々の構造が挙げられる。

【００２９】（Ｉ）：分極方向の異なる第１及び第２の
領域を周期的に有した周期的分極反転構造であって、前
記第１及び第２の領域の寸法をそれぞれｌ₁及びｌ₂と
したときｌ₁＋ｌ₂で示される周期ΛがΛ＝ｍ・（２π
／Δｋ₁）及びΛ＝ｍ・（２π／Δｋ₂）の少なくとも
一方を満たすようにされている周期的分極反転構造であ
る。ただし、式中、ｍは自然数、Δｋ₁はΔｋ₁＝ｋ₁₂
−２ｋ₁で与えられる位相不整合、Δｋ₂はΔｋ₂＝ｋ
₂₂−２ｋ₂で与えられる位相不整合である。ここで、ｋ
₁は当該波長変換素子へ入力する波長λ₁の入力光の波
数ベクトル、ｋ₁₂は前記入力光の第２高調波の波数ベク
トル、ｋ₂は当該波長変換素子において前記入力光λ₁
により励起される波長λ₂のレーザ光の波数ベクトル、
ｋ₂₂は前記レーザ光の第２高調波の波数ベクトルであ
る。

【００３０】（II）：分極方向の異なる第１及び第２の
領域を周期的に有する周期的分極反転構造であって、前
記第１及び第２の領域の寸法をそれぞれｌ₁及びｌ₂と
したときｌ₁＋ｌ₂で示される周期ΛがΛ＝ｍ・（２π
／Δｋ）を満たすようにされている周期的分極反転構造
である。ただし、式中、ｍは自然数、ΔｋはΔｋ＝ｋ₃
−ｋ₁±ｋ₂で与えられる位相不整合である。ここで、
ｋ₁は当該波長変換素子へ入力する波長λ₁の入力光の
波数ベクトル、ｋ₂は当該波長変換素子において前記入
力光λ₁により励起される波長λ₂のレーザ光の波数ベ
クトル、ｋ₃は当該波長変換素子において前記入力光及
びレーザ光の和周波混合または差周波混合により発生さ
れる波長λ₃の光の波数ベクトルである。

【００３１】（III ）：屈折率分散特性の異なる第１及
び第２の領域を周期的に有する構造であって、前記第１
及び第２の領域の寸法をそれぞれｌ₁及びｌ₂としたと
きｌ₁＋ｌ₂で示される周期ΛがΔｋ₁’・ｌ₁＋Δｋ
₂’・ｌ₂＝Ｍ・２πを満たすようにされている構造で
ある。ただし、式中、Ｍは０以上の整数、Δｋ₁’はΔ
ｋ₁’＝（４π／λ_X）・［ｎ₁（λ_X／２）−ｎ
₁（λ_X）］で与えられる位相不整合、Δｋ₂’はΔｋ
₂’＝（４π／λ_X）・［ｎ₂（λ_X／２）−ｎ₂（λ
_X）］で与えられる位相不整合である。ここで、λ
_Xは、当該波長変換素子へ入力する波長λ₁の入力光及
び当該波長変換素子において前記入力光により励起され
る波長λ₂のレーザ光のうちのいずれか一方の波長、ｎ
₁（λ_X／２）及びｎ₁（λ_X）は前記第１の領域にお
ける波長λ_X若しくはλ_X／２の光に対する屈折率波長
分散特性を与える関数、ｎ₂（λ_X／２）及びｎ₂（λ
_X）は前記第２の領域における波長λ_X若しくはλ_X／
２の光に対する屈折率波長分散特性を与える関数であ
る。

【００３２】（IV）：上記（III)の構造において、前記
λ_Xを前記入力光の波長λ₁とし、前記ΛがΛ＝ｍ・
（２π／Δｋ₂）をも満たし、かつ、ｍが奇数の場合は
前記第１の領域及び第２の領域の寸法ｌ₁及びｌ₂はｌ
₁＝ｌ₂を満たし、ｍが偶数の場合はｌ₁≠ｌ₂を満た
すようにしてある構造である。ただし、ｍは自然数、Δ
ｋ₂はΔｋ₂＝ｋ₂₂−２ｋ₂で与えられる位相不整合で
ある。ここで、ｋ₂は当該波長変換素子において前記入
力光λ₁により励起される波長λ₂のレーザ光の波数ベ
クトル、ｋ₂₂は前記レーザ光の第２高調波の波数ベクト
ルである。なお、ｍが偶数の場合は上記のごとくｌ₁≠
ｌ₂を主張するが波長変換効率をより向上させるには、
ｌ₁及びｌ₂は、ｌ₁≠ｌ₂であってかつ波長変換効率
が向上する特定の関係となるようにするのがよい。これ
は変換効率を考慮して適性値を求めればよい。例えば、
ｍ＝２の場合であれば、３ｌ₁＝ｌ₂またはｌ₁＝３ｌ
₂である。

【００３３】（Ｖ）：上記（III ）の構造において、前
記λ_Xを前記レーザ光の波長λ₂とし、前記ΛがΛ＝ｍ
・（２π／Δｋ₁）をも満たし、かつ、ｍが奇数の場合
は前記第１の領域及び第２の領域の寸法ｌ_A及びｌ_Bは
ｌ₁＝ｌ₂を満たし、ｍが偶数の場合はｌ₁≠ｌ₂を満
たすようにしてある構造である。ただし、ｍは自然数、
Δｋ₁はΔｋ₁＝ｋ₁₂−２ｋ₁で与えられる位相不整合
である。ここで、ｋ₁は当該波長変換素子へ入力する波
長λ₁の入力光の波数ベクトル、ｋ₁₂は前記入力光の第
２高調波の波数ベクトルである。なお、ｍが偶数の場合
はｌ₁≠ｌ₂を主張するが波長変換効率をより向上させ
るには、ｌ₁及びｌ₂は、ｌ₁≠ｌ₂であってかつ波長
変換効率が向上する特定の関係となるようにするのがよ
い。これは変換効率を考慮して適性値を求めればよい。
例えば、ｍ＝２の場合であれば、３ｌ₁＝ｌ₂またはｌ
₁＝３ｌ₂である。

【００３４】（VI）：前記位相整合を得るための構造
を、前記非線形光学結晶を角度位相整合が得られる角度
で切り出すことで構成する。

【００３５】さらに、この第一発明の実施に当たり、波
長変換素子は、当該波長変換素子に入力される波長λ₁
の入力光に対するブラッグ条件を満たす構造（以下、
「ブラッグ反射構造」ともいう。）をさらに具える構成
とするのが良い。なお、ここで、ブラッグ反射構造をさ
らに具えるとは、位相整合を得るための構造がブラッグ
反射構造を兼ねる構成の場合と、位相整合を得るための
構造とブラッグ反射構造とをそれぞれ別々に具える構成
の場合いずれでも良い意味である。前者の場合の具体例
として、上記（Ｉ）〜（Ｖ）の周期構造を有する素子の
場合には、その周期ΛをΛ＝「（ｐ／ｑ）・λ₁］／
［２Ｎ（λ₁）］をも満たすよう構成するのが良い。た
だし、式中、ｐ及びｑは自然数、Ｎ（λ₁）は当該波長
変換素子における入射光λ₁に対する実効屈折率であ
る。

【００３６】また、この出願の第二発明によれば、第一
発明の波長変換素子であって入力光に対するブラッグ条
件を満たす構造をさらに具える構成の波長変換素子に波
長λ₁の入射光を半導体レーザより供給して該波長変換
素子を使用するに当たり、該波長変換素子からの波長λ
₁の反射光を前記半導体レーザに帰還させることを特徴
とする。

【００３７】

【作用】第一発明の構成によれば、非線形光学結晶とし
てレーザ活性物質が添加されたものを用いているので、
該波長変換素子に入力光（波長λ₁の光）が入力される
と該波長変換素子ではこの波長λ₁の入力光によりポン
ピングが生じてレーザ光（例えば波長λ₂の光）が生じ
る。このように生じたレーザ光は波長変換素子の新たな
入力光とみなせる。したがって、この波長変換素子では
１種類の入力光のみで少なくとも２種類の基本波が得ら
れる。さらに、この第一発明では非線形光学結晶を用い
ているので、前記入力光やレーザ光は、非線形光学効果
により、その高調波（λ₁／２やλ₂／２の高調波）や
混合波（和周波の光（例えばλ₃ ^-1＝λ₁ ^-1＋λ₂ ^-1）
や差周波の光（例えばλ₃ ^-1＝λ₁ ^-1−λ₂ ^-1）などに
変換される。さらに、この第一発明の波長変換素子で
は、位相整合を得るための構造を有しているので、入力
光及び非線形光学効果で生じた変換光の出力方向をそろ
えることができる。

【００３８】ここで、位相整合を得るための構造を上記
（Ｉ）または(II)の構造とした場合はＱＰＭによる位相
整合が実現される。また、位相整合を得るための構造を
上記(III) ) の構造とした場合はＢＰＭによる位相整合
が実現される。また、位相整合を得るための構造を上記
(IV)または（Ｖ）の構造とした場合はＱＰＭ及びＢＰＭ
の双方による位相整合が実現される。また、位相整合を
得るための構造を上記(VI)の構造とした場合は、バルク
の非線形光学結晶を用いた素子が構成出来る。

【００３９】また、位相整合を得るための構造を上記
（Ｉ）、(III) の構造とした場合、入射光の第２高調波
及びレーザ光の第２高調波の双方または一方の光と、レ
ーザ光とが変換光として得られる。また、位相整合を得
るための構造を上記(II)の構造とした場合、入射光及び
レーザ光の和周波の光並びに差周波の光の双方または一
方とレーザ光とが変換光として得られる。また、位相整
合を得るための構造を上記(IV)または（Ｖ）の構造とし
た場合、入射光の第２高調波とレーザ光の第２高調波と
レーザ光とが変換光として得られる。

【００４０】また、この出願の第二発明では、波長λ₁
の入力光を発する光源として半導体レーザを用いる際に
波長変換素子からの波長λ₁の反射光を前記半導体レー
ザに帰還させる。このため、半導体レーザはそうしない
場合より波長λ₁で安定に発振する。

【００４１】

【実施例】以下、図面を参照して第一発明及び第二発明
の実施例についてそれぞれ説明する。なお、説明に用い
る各図は、この発明を理解出来る程度に各構成成分の寸
法、形状及び配置関係を概略的に示してあるにすぎな
い。また、以下の説明で述べる使用材料、処理方法、さ
らに、温度、処理時間、各部の寸法などの数値的条件は
この発明の範囲内の一例にすぎない。

【００４２】１．第一発明（波長変換素子）の説明１−１．第一発明の第１実施例＜素子構造の説明＞図１は第一発明の波長変換素子の一
構成例を示した斜視図である。この実施例では、レーザ
活性物質が添加された非線形光学結晶としてＮｄ及びＭ
ｇＯがドープされたＺカットのＬｉＮｂＯ₃基板５１
（以下、「ＺカットのＮｄ：ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃基板
５１」若しくは「基板５１」という。）を用いる。な
お、ＭｇＯは、ホトリフラクティブ効果（光損傷）を回
避し入射光による光導波路の損傷を防ぐために添加して
いるのであり、波長変換素子の機能には直接関係しな
い。

【００４３】さらにこの第１実施例では、このＺカット
のＮｄ：ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃基板５１にストライプ状
の光導波路５３であって、ストライプ方向がＸまたはＹ
方向でストライプ幅が所定幅の光導波路５３を具える。
さらに、このように構成した導波路構造の入射端面５１
ａと出射端面５１ｂとに入射光（波長λ₁（各振動数ω
₁）の光とする。）に対して高反射特性を示すコーティ
ング（以後、「ＨＲコーティング」。）をそれぞれ施し
て（図示せず）いわゆるファブリペロー共振器を構成し
ている。

【００４４】このように構成した導波路構造に波長λ₁
（角振動数ω₁）の入射光を入力するとこの入射光がポ
ンプ光となるので、この構造体からは入射光に加え該入
射光とは別の波長（例えば波長λ₂（角振動数ω₂））
のレーザ光が得られる。ただし、ここまで説明した構造
体は上記文献IVに開示の技術と変わらない。ところが、
この第一発明の波長変換素子では、レーザ活性物質が添
加された非線形光学結晶（ここでは基板５１）は、位相
整合を得るための構造をさらに有するものとしてある。
そこで、位相整合を得るための構造についていくつかの
例を挙げて以下に説明する。

【００４５】＜位相整合を得るための構造の説明＞入射
光λ₁のＳＨＧ（第二高調波発生）が得られるような周
期構造を基板５１が有するとしたら、この実施例の波長
変換素子は変換光としてλ₂及びλ₁／２の光が得られ
るものになる。また、レーザ光λ₂のＳＨＧ（第二高調
波発生）が得られるような周期構造を基板５１が有する
としたら、この実施例の波長変換素子は変換光としてλ
₂及びλ₂／２の光が得られるものになる。波長λ₁の
光をλ₁／２に変換する場合及び波長λ₂の光をλ₂／
２に変換する場合いずれも、波長変換の原理は同じなの
で、波長変換される光の波長をλ、波長変換された光の
波長をλ’と一般化して第２高調波を得るための周期構
造について説明する。

【００４６】先ず、波長変換を受ける波長λの光とその
第２高調波である波長λ’の光とは波長に関して λ’＝λ／２・・・（ａ）なる関係（エネルギ保存則に当たる関係）を満たす必要
があると共に、λ、λ’それぞれの光の波数ベクトルを
ｋ、ｋ’とすると両者はｋ’＝２ｋ・・・（ｂ）なる関係（運動量保存則に当たる関係）を満たす必要が
ある。ここに、ｋ＝（２π／λ）ｎ（λ）、ｋ’＝（４
π／λ）ｎ（λ／２）である。ただし、ｎ（λ）やｎ
（λ／２）は屈折率の波長分散特性をあらわす関数であ
る。

【００４７】しかし、結晶の屈折率には波長依存性があ
るため、上記各式（ａ）、（ｂ）はそのままでは満たさ
れない。そこで、新たな付加項（位相整合項）を付け加
えなければならない。この項をΔｋとすると、 Δｋ＝ｋ’−２ｋ・・・（ｃ）と表せる。

【００４８】そして、この位相不整合を補完する方法と
してＱＰＭ、ＢＰＭ及び角度位相整合などを挙げること
が出来る。以下、具体的構造例を挙げて説明する。

【００４９】(1) 構造例（Ｉ）ＱＰＭを用いる場合光導波路５３に以下に説明するよう
に周期的分極反転構造を形成する。

【００５０】ＬｉＮｂＯ₃基板においては＋ｃ面にこの
ような分極反転構造を例えばＴｉ熱拡散法やＬｉ₂Ｏ外
拡散法などで形成出来る。図１に示すように、分極方向
が反転されて局部的に−ｃ面になっている領域（例えば
第１の領域という。）５１ｘの、光導波路５３のストラ
イプ方向に沿う寸法を、ｌ₁とし、＋ｃ面のままの領域
（第２の領域）５１ｙの同寸法をｌ₂とし、この周期的
分極反転構造の周期ΛをΛ＝ｌ₁＋ｌ₂としたとき、位
相不整合ΔｋはΛを以下の（ｄ）式を満足するようにし
ておくと補完されることが知られている。ただし、
（ｄ）式中のｍは自然数である。

【００５１】Λ＝ｍ・（２π／Δｋ）・・・（ｄ）そこで、λ₁やλ₂をλとして一般化してここまで説明
してきたことを元に戻して考える。すると、入射光λ₁
のＳＨＧ（第二高調波発生）が得られるような周期構造
を得るためには、 Λ＝ｍ・（２π／Δｋ₁）・・・（ｄ−１）を満たすようにΛを決めればよい。ただし、Δｋ₁は、
上記（ｃ）式に基づくΔｋ₁＝ｋ₁₂−２ｋ₁で与えられ
る位相不整合である。ここで、ｋ₁は当該波長変換素子
へ入力する波長λ₁の入力光の波数ベクトル、ｋ₁₂は前
記入力光の第２高調波の波数ベクトルである。具体的に
は、ｋ₁＝（２π／λ₁）ｎ（λ₁）、ｋ₁₂＝（４π／
λ₁）ｎ（λ₁／２）である。

【００５２】また、レーザ光λ₂のＳＨＧ（第二高調波
発生）が得られるような周期構造を得るためには、 Λ＝ｍ・（２π／Δｋ₂）・・・（ｄ−２）を満たすようにΛを決めればよい。ただし、Δｋ₂は、
上記（ｃ）式に基づくΔｋ₂＝ｋ₂₂−２ｋ₂で与えられ
る位相不整合である。ここで、ｋ₂は当該波長変換素子
において前記入力光λ₁により励起される波長λ₂のレ
ーザ光の波数ベクトル、ｋ₂₂は前記レーザ光の第２高調
波の波数ベクトルである。具体的には、ｋ₂＝（２π／
λ₂）ｎ（λ₂）、ｋ₂₂＝（４π／λ₂）ｎ（λ₂／
２）である。

【００５３】(2) 構造例(II) また、入力光λ₁及びレーザ光λ₂をこれらの和周波
（ＳＦＧ）若しくは差周波（ＤＦＧ）の光λ₃に変換す
るための周期的分極反転構造の周期Λも上記（ｄ）式を
満たすように決定すればよい。ただし、この場合の位相
不整合Δｋは Δｋ＝ｋ₃−ｋ₁±ｋ₂ ・・・（ｅ）で与えられるものとなる。

【００５４】なお、上記構造例（Ｉ）若しくは(II)の説
明においては、屈折率の波長分散特性をあらわす関数ｎ
（λ）を導入していたが、第一発明を光導波路型の波長
変換素子に適用する場合は、ｎ（λ）の代わりに実効屈
折率Ｎ（λ）を使用することになる。その場合の扱いは
以下のようにすれば良い。

【００５５】先ず、上記構造例（Ｉ）を有した光導波路
型の本発明の波長変換素子であって、入射光λ₁ないし
はこれにより励起されたレーザ光λ₂のいずれかのＳＨ
Ｇを発する素子を実現するには、上記（ｃ）式を下記の
（ｆ）式に書き換える。ここで、Ｎ（λ_X）、Ｎ（λ_X
／２）は波長λ_X若しくは波長λ_X／２の実効屈折得率
であり、Ｘ＝１または２である。

【００５６】 Δｋ＝（４π／λ_X）［Ｎ（λ_X／２）−Ｎ（λ_X）］・・・（ｆ）そして、この（ｅ）式で示されるΔｋに対し上記（ｄ）
式が満たされるようΛを設定した周期構造を形成する。
ここで、ｍが奇数次数の場合には分極反転部分（図１の
第１の領域５１Ｘ）の寸法ｌ₁と非分極反転部分（図１
の第２の領域５１ｙ）の寸法ｌ₂とが等しくなるように
形成し、ｍが偶数次数の場合にはｌ₁≠ｌ₂となるよう
に形成する。さらに、ｍが偶数次数の場合にはｌ₁≠ｌ
₂であって、両者を変換効率向上に好適な所定値とする
のが良い。ｍ＝２の場合であれば、ｌ₁＝３ｌ₂または
３ｌ₁＝ｌ₂となるようにするのが良い。

【００５７】また、上記構造例(II)を有した光導波路型
の本発明の波長変換素子であって、入射光λ₁及びこれ
により励起されたレーザ光λ₂のいずれかのＳＦＧまた
はＤＦＧを発する素子を実現するには、上記（ｅ）式を
下記の（ｇ）式に書き換えて、この（ｇ）で示されるΔ
ｋに対し上記（ｄ）式が満たされるようΛを設定した周
期構造を形成する。

【００５８】 Δｋ＝(4π／λ₃）N(λ₃）- (4π／λ₁）N(λ₁）±(4π／λ₂）N(λ₂）・・・（ｇ） (3) 構造例(III) 次に、ＢＰＭによりＳＨＧを得る場合について説明す
る。なお、上記構造例（Ｉ）及び構造例(II)の説明で
は、屈折率の波長分散特性をあらわす関数ｎ（λ）と光
導波路の場合の実効屈折率Ｎ（λ）とを夫々書き分けて
説明したが、以後の説明ではｎ（λ）は光導波路の場合
には実効屈折率Ｎ（λ）を意味するものとして説明する
ことにし、特に両者を書き分けることをしないことにす
る。

【００５９】ＢＰＭによる場合も入射光λ₁及びレーザ
光λ₂のいずれかのＳＨＧを実現することになる。どち
らでも変換の原理は同一なのでλ_X（Ｘ＝１または２）
の光として説明する。

【００６０】この場合はレーザ活性物質が添加された非
線形光学結晶（この場合基板５１）に屈折率分散特性の
異なる第１及び第２の領域（図１の領域５１ｘ及び５１
ｙが分極状態の違いでなく屈折率分散特性が異なると考
えれば良い。）を周期的に有する構造であって、前記第
１及び第２の領域の寸法をそれぞれｌ₁及びｌ₂とした
ときｌ₁＋ｌ₂で示される周期ΛがΔｋ₁’・ｌ₁＋Δ
ｋ₂’・ｌ₂＝Ｍ・２πを満たすようにされている構造
を設ける。

【００６１】ここで、Ｍは０以上の整数である。また、
Δｋ₁’及びΔｋ₂’は、下記の（ｈ）式及び（ｉ）式
であたえられる位相不整合である。ただし、（ｈ）及び
（ｉ）式において、Ｘ＝１，２である。また、ｎ₁（λ
_X／２）及びｎ₁（λ_X）は前記第１の領域における波
長λ_X若しくはλ_X／２の光に対する屈折率波長分散特
性を与える関数、ｎ₂（λ_X／２）及びｎ₂（λ_X）は
前記第２の領域における波長λ_X若しくはλ_X／２の光
に対する屈折率波長分散特性を与える関数である。

【００６２】 Δｋ₁’＝（４π／λ_X）・［ｎ₁（λ_X／２）−ｎ₁（λ_X）］（ｈ） Δｋ₂’＝（４π／λ_X）・［ｎ₂（λ_X／２）−ｎ₂（λ_X）］（ｉ） (4) 構造例(IV) また、波長λ₁の入射光に対して上記（ｈ）式及び
（ｉ）式を考えた場合、両式は下記の（ｊ）及び（ｋ）
となる。

【００６３】 Δｋ₁’＝（４π／λ₁）・［ｎ₁（λ₁／２）−ｎ₁（λ₁）］（ｊ） Δｋ₂’＝（４π／λ₁）・［ｎ₂（λ₁／２）−ｎ₂（λ₁）］（ｋ）そして、（ｊ）式であたえられるΔｋ₁’及び（ｋ）式
であたえられるΔｋ₂’に対して Δｋ₁’・ｌ₁＋Δｋ₂’・ｌ₂＝Ｍ・２π ・・・（ｌ）を満たすように、かつ、波長λ₂なるレーザ光に対して Λ＝ｍ・（２π／Δｋ₂）・・・（ｍ）を満たすように周期構造を形成すると、ＱＰＭ及びＢＰ
Ｍの両条件を満たすことになる。そして、この場合の波
長変換素子は、波長λ₁の入射光に対してレーザ発振光
λ₂のほかλ₁／２、λ₂／２の各第２高調波をも変換
光として出力するものになる。なお、（ｍ）式中のｍが
奇数のときｌ₁＝ｌ₂とするものとし、ｍが偶数のとき
ｌ₁≠ｌ₂とする。ｍが偶数のときｌ₁及びｌ₂は、よ
り好ましくは、ｌ₁≠ｌ₂であって変換効率向上に良好
な値に夫々する。例えばｍ＝２であるなら、３ｌ₁＝ｌ
₂またはｌ₁＝３ｌ₂とする。

【００６４】(5) 構造例（Ｖ）上記構造例(IV)の構成において、波長λ₂のレーザ発振
光に対して（ｊ），（ｋ）及び（ｌ）の式を適用し、波
長λ₁のレーザ光に対して（ｍ）式を適用して周期構造
を形成しても良い。その場合も構造例(IV)の場合と同様
に変換光が得られる。

【００６５】(6) 構造例(VI) 上述の構造例（Ｉ）〜（Ｖ）では光導波路に周期構造を
作りつける例を考えたがこの発明はレーザ活性物質が添
加されたバルクの非線形光学結晶自体を波長変換媒体と
して適用することも出来ると考える。その場合は、レー
ザ活性物質が添加された非線形光学結晶を角度位相整合
が得られる角度で切り出すことにより位相整合を得るた
めの構造は構成出来ると考える。

【００６６】(7) 構造例(VII) また、例えば文献Ｖ（応用物理、第６２巻、第９号（１
９９３）の第９２８頁には、ＬｉＮｂＯ₃やＬｉＴａＯ
₃基板の＋Ｚ面を接地し、−Ｚ面上に収束電子ビームを
走査照射すると、結晶裏面に達する層状の反転構造が得
られることが開示されている。この文献Ｖに開示の方法
は、レーザ活性物質が添加されたバルクの非線形光学結
晶に位相整合の構造を形成する方法として利用出来ると
考えられるので、この方法でもバルク状の波長変換素子
が実現出来ると考える。

【００６７】以上の説明から、この第一発明の波長変換
素子は、１種類の入力光に対して複数の波長変換された
光を出力できるものであることが理解出来る。また、こ
の第一発明の波長変換素子は、図７を用いて説明した装
置のＮｄ：ＹＡＧロッド４７及びＫＴＰ結晶４９で構成
される部分の代替品として使用出来ると考えられる。そ
して、そのようにすると従来は２種類の構成成分４７、
４９（図７参照）が必要であったところを１つの部品で
構成出来るようになるという効果が得られる。特に構造
例(VI)及び(VII) の素子はバルク状態の素子による代替
ができる。

【００６８】１−２．第一発明の第２実施例半導体レーザから出力された光の波長を上述の第一発明
の波長変換素子を用いて他の波長の光に変換するために
は、半導体レーザを位相整合条件を満たす波長で安定に
発振させることが必要になる。しかし、一般の半導体レ
ーザは注入電流の変動や周囲温度の変動などで発振波長
がゆらぐことが多い。第一発明の波長変換素子を一般の
半導体レーザと共に用いて実用できるようにするには、
入力光の光源である半導体レーザを安定に発振させる工
夫が望まれる。この第２実施例はその例である。

【００６９】このため、第一発明の第２実施例では、第
１実施例においてレーザ活性物質が添加された非線形光
学結晶に変換光を制御するため形成していた周期構造に
加え、波長λ₁の入射光に対するブラッグ条件を満たす
構造（ブラッグ反射構造）をさらに具える波長変換素子
を開示する。こうすると、第２実施例の波長変換素子は
入射光の入射端面から外部に波長λ₁の光を一部反射す
るようになる。この反射光はこれを半導体レーザに帰還
させることで半導体レーザを安定発振させるための制御
光として利用出来る。そのための周期構造は例えば第１
実施例において説明した各種周期構造をその周期Λが下
記の（ｎ）式をも満たすように形成すれば良い。

【００７０】 Λ＝「（ｐ／ｑ）・λ₁］／［２Ｎ（λ₁）］・・・（ｎ）ただし、（ｎ）式中、ｐ及びｑは自然数、Ｎ（λ₁）は
当該波長変換素子における入射光λ₁に対する実効屈折
率である。このＮ（λ₁）は、周期構造における第１の
領域及び第２の領域における屈折率をそれぞれｎ₁（λ
₁）、ｎ₂（λ₁）とし、第１の領域及び第２の領域の
寸法をｌ₁及びｌ₂としたとき、例えば近似的に下記
（ｏ）式によりあたえられる。

【００７１】Ｎ（λ₁）＝［ｌ₁・ｎ（λ₁）＋ｌ₂・ｎ（λ₁）］／Λ （ｏ）上述の第２実施例の態様は図１に示した波長変換素子の
第１の領域５１ｘ及び第２の領域５１ｙで構成される位
相整合を得るための周期構造そのものがブラッグ反射構
造にもなっている素子である。なお、この第２実施例の
波長変換素子の場合は、その入射端面及び出射端面の少
なくとも入射端面に低反射膜（ＡＲコーティング）を施
すのが良い。波長変換素子から光源である半導体レーザ
側にレーザ反射光を出力するためである。ここで、波長
変換素子の入射端面及び出射端面の少なくとも一方をＡ
Ｒコーティングすると、両端面をＨＲコーティングする
ことでファブリペロー共振器を構成した機構がくずれレ
ーザ光λ₂を得ることが出来ないことが懸念されるが、
ＡＲコーティングの程度を調整することでこれは回避出
来る。また、ＨＲコーティングを施すことなく、光導波
路５３にブラッグ共振器を設けるようにしてもレーザ光
を得ることが出来る。ブラッグ共振器を設ける構成につ
いては、この出願の出願人に係る特願平４−８４２９１
号に詳しい。

【００７２】この第２実施例の波長変換素子において
は、上記（ｎ）式中のｐを変えるとブラッグ反射構造で
の１周期に違いがでる。図２は、ｐ＝１の場合とｐ＝４
の場合とでブラッグ反射構造の１周期がどのように違う
かを模式的に示した図である。図２中、Ｐ₁がｐ＝１の
場合のブラッグ反射構造の１周期であり、Ｐ₄がｐ＝４
の場合のブラッグ反射構造の１周期である。ｐが大きく
なる程ブラッグ反射構造の実質的な周期は長くなる。な
お、図２において図１に示した構成成分と同様な構成成
分は図１と同様な番号を付して示し、また、その説明を
省略する（医科の、各図において同じ。）。

【００７３】また、この第２実施例では別の態様とし
て、位相整合を得るための構造とブラッグ反射構造と
を、基板５１上に別々に設けた構成としても良い。位相
整合を得る為の構造とブラッグ反射構造とを別々に設け
る方がそうしない場合に比べ素子の設計自由度を大きく
できる。図３は両者を別々に設ける一態様の波長変換素
子を概略的に示した斜視図である。具体的には、レーザ
活性物質が添加された基板５１の一端側に位相整合を得
るための構造を具え、他端側にブラッグ反射構造６３を
具えたものの例である。なお、この場合、基板５１の入
射端面及び出射端面それぞれには反射防止膜（ＡＲコー
テイング）６５を設けてある。勿論、ＡＲコーティング
は少なくとも入射端面側に設ければ良い。また、図３で
はブラッグ反射構造６３を基板５１の一端に設ける例を
示したが、基板５１の両端にブラッグ反射構造６３をそ
れぞれ設け、これら反射構造に挟まれる基板部分に位相
整合を得るための構造６１を設けても良い。こうする方
が変換効率の向上が図れる。

【００７４】２．第二発明の実施例次に、図４を参照して第二発明の実施例について説明す
る。ここで、図４は光源としての半導体レーザ７１と第
一発明の第２実施例の波長変換素子（ブラッグ反射構造
をも作り込んだ素子）７３との配置関係を示した斜視図
である。半導体レーザ７１と第一発明の第２実施例の波
長変換素子７３とを両者の光軸が一致するように直列に
配置してある。半導体レーザ７１及び第一発明の第２実
施例の波長変換素子７３それぞれの少なくとも他方の素
子と対向する端面にはＡＲコーティング７５を施すのが
良い。第二発明の構成では波長変換素子７３から半導体
レーザ７１に波長λ₁の帰還光が戻されるので半導体レ
ーザ７１はそうしない場合に比べ波長λ₁で安定に発振
する。

【００７５】

【発明の効果】上述した説明から明らかなように、この
出願の第一発明によれば、波長変換素子を構成する母材
をレーザ活性物質が添加された非線形光学結晶としたた
め、１種類の入力光のみで入力光とは別の波長のレーザ
光が得られ、さらに、これら入力光及びまたはレーザ光
の高調波及びまたは混合波が得られる。また、この波長
変換素子は、位相整合を得るための構造を有しているの
で、入力光及び非線形光学効果で生じた変換光の出力方
向をそろえることができる。このため、１種類の入力光
を波長が異なる複数の光に変換できかつ入力光及び変換
光の出力方向が同じとなる波長変換素子を提供出来る。

【００７６】また、第一発明の波長変換素子であって入
射光に対するブラッグ条件を満たす構造をも有する構成
においては、半導体レーザの安定発振に利用出来る帰還
光を生成出来るので、入力光の波長に対する厳しい条件
も実質的に回避することができる。

【００７７】また、第二発明によれば、第一発明の波長
変換素子及び半導体レーザを用いての波長変換を実用的
に実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一発明の第１及び第２実施例の説明図であ
る。

【図２】第一発明の第２実施例の説明図である。

【図３】第一発明の第２実施例の他の態様の説明図であ
る。

【図４】第二発明の実施例の説明図である。

【図５】従来技術の説明図である。

【図６】従来技術の説明図である。

【図７】従来技術の説明図である。

【符号の説明】

５１：レーザ活性物質が添加された非線形光学結晶５１ａ：入射端面５１ｂ：出射端面５１ｘ，５１ｙ，６１：位相整合を得るための構造５３：光導波路６３：ブラッグ反射構造６５，７５：ＡＲコーティング７１：半導体レーザ７３：第一発明の第２実施例の波長変換素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】位相整合を得るための構造を有しかつレ
ーザ活性物質が添加された非線形光学結晶から成ること
を特徴とする波長変換素子。
【請求項２】請求項１に記載の波長変換素子におい
て、前記位相整合を得るための構造を、分極方向の異なる第
１及び第２の領域を周期的に有した周期的分極反転構造
であって、前記第１及び第２の領域の寸法をそれぞれｌ
₁及びｌ₂としたときｌ₁＋ｌ₂で示される周期ΛがΛ
＝ｍ・（２π／Δｋ₁）及びΛ＝ｍ・（２π／Δｋ₂）
の少なくとも一方を満たすようにされている周期的分極
反転構造をもって構成してあることを特徴とする波長変
換素子（ただし、式中、ｍは自然数、Δｋ₁はΔｋ₁＝
ｋ₁₂−２ｋ₁で与えられる位相不整合、Δｋ₂はΔｋ₂
＝ｋ₂₂−２ｋ₂で与えられる位相不整合である。ここ
で、ｋ₁は当該波長変換素子へ入力する波長λ₁の入力
光の波数ベクトル、ｋ₁₂は前記入力光の第２高調波の波
数ベクトル、ｋ₂は当該波長変換素子において前記入力
光λ₁により励起される波長λ₂のレーザ光の波数ベク
トル、ｋ₂₂は前記レーザ光の第２高調波の波数ベクトル
である。）。
【請求項３】請求項１に記載の波長変換素子におい
て、前記位相整合を得るための構造を、分極方向の異なる第
１及び第２の領域を周期的に有する周期的分極反転構造
であって、前記第１及び第２の領域の寸法をそれぞれｌ
₁及びｌ₂としたときｌ₁＋ｌ₂で示される周期ΛがΛ
＝ｍ・（２π／Δｋ）を満たすようにされている周期的
分極反転構造をもって構成してあることを特徴とする波
長変換素子（ただし、式中、ｍは自然数、ΔｋはΔｋ＝
ｋ₃−ｋ₁±ｋ₂で与えられる位相不整合である。ここ
で、ｋ₁は当該波長変換素子へ入力する波長λ₁の入力
光の波数ベクトル、ｋ₂は当該波長変換素子において前
記入力光λ₁により励起される波長λ₂のレーザ光の波
数ベクトル、ｋ₃は当該波長変換素子において前記入力
光及びレーザ光の和周波混合または差周波混合により発
生される波長λ₃の光の波数ベクトルである。）。
【請求項４】請求項１に記載の波長変換素子におい
て、前記位相整合を得るための構造を、屈折率分散特性の異
なる第１及び第２の領域を周期的に有する構造であっ
て、前記第１及び第２の領域の寸法をそれぞれｌ₁及び
ｌ₂としたときｌ₁＋ｌ₂で示される周期ΛがΔｋ₁’
・ｌ₁＋Δｋ₂’・ｌ₂＝Ｍ・２πを満たすようにされ
ている構造をもって構成してあることを特徴とする波長
変換素子（ただし、式中、Ｍは０以上の整数、Δｋ₁’
はΔｋ₁’＝（４π／λ_X）・［ｎ₁（λ_X／２）−ｎ
₁（λ_X）］で与えられる位相不整合、Δｋ₂’はΔｋ
₂’＝（４π／λ_X）・［ｎ₂（λ_X／２）−ｎ₂（λ
_X）］で与えられる位相不整合である。ここで、λ
_Xは、当該波長変換素子へ入力する波長λ₁の入力光及
び当該波長変換素子において前記入力光により励起され
る波長λ₂のレーザ光のうちのいずれか一方の波長、ｎ
₁（λ_X／２）及びｎ₁（λ_X）は前記第１の領域にお
ける波長λ_X若しくはλ_X／２の光に対する屈折率波長
分散特性を与える関数、ｎ₂（λ_X／２）及びｎ₂（λ
_X）は前記第２の領域における波長λ_X若しくはλ_X／
２の光に対する屈折率波長分散特性を与える関数であ
る。）。
【請求項５】請求項４に記載の波長変換素子におい
て、前記λ_Xを前記入力光の波長λ₁とし、前記ΛがΛ＝ｍ・（２π／Δｋ₂）をも満たし、かつ、
ｍが奇数の場合は前記第１の領域及び第２の領域の寸法
ｌ₁及びｌ₂はｌ₁＝ｌ₂を満たし、ｍが偶数の場合は
ｌ₁≠ｌ₂を満たすように前記周期的構造を構成してあ
ることを特徴とする波長変換素子（ただし、ｍは自然
数、Δｋ₂はΔｋ₂＝ｋ₂₂−２ｋ₂で与えられる位相不
整合である。ここで、ｋ₂は当該波長変換素子において
前記入力光λ₁により励起される波長λ₂のレーザ光の
波数ベクトル、ｋ₂₂は前記レーザ光の第２高調波の波数
ベクトルである。）。
【請求項６】請求項４に記載の波長変換素子におい
て、前記λ_Xを前記レーザ光の波長λ₂とし、前記ΛがΛ＝ｍ・（２π／Δｋ₁）をも満たし、かつ、
ｍが奇数の場合は前記第１の領域及び第２の領域の寸法
ｌ_A及びｌ_Bはｌ₁＝ｌ₂を満たし、ｍが偶数の場合は
ｌ₁≠ｌ₂を満たすように前記周期的構造を構成してあ
ることを特徴とする波長変換素子（ただし、ｍは自然
数、Δｋ₁はΔｋ₁＝ｋ₁₂−２ｋ₁で与えられる位相不
整合である。ここで、ｋ₁は当該波長変換素子へ入力す
る波長λ₁の入力光の波数ベクトル、ｋ₁₂は前記入力光
の第２高調波の波数ベクトルである。）。
【請求項７】請求項１に記載の波長変換素子におい
て、前記位相整合を得るための構造を、前記非線形光学結晶
を角度位相整合が得られる角度で切り出すことで構成し
たことを特徴とする波長変換素子。
【請求項８】請求項１〜７のいずれか１項に記載の波
長変換素子において、当該波長変換素子に入力される波長λ₁の入力光に対す
るブラッグ条件を満たす構造をさらに具えたことを特徴
とする波長変換素子。
【請求項９】請求項２〜６のいずれか１項に記載の波
長変換素子において、前記周期ΛをΛ＝「（ｐ／ｑ）・λ₁］／［２Ｎ
（λ₁）］をも満たすようにしてあることを特徴とする
波長変換素子（ただし、式中、ｐ及びｑは自然数、Ｎ
（λ₁）は当該波長変換素子における入射光λ₁に対す
る実効屈折率である。）。
【請求項１０】請求項８または９に記載の波長変換素
子に波長λ₁の入射光を半導体レーザより供給して該波
長変換素子を使用するに当たり、該波長変換素子からの波長λ₁の反射光を前記半導体レ
ーザに帰還させることを特徴とする波長変換素子の使用
方法。